某厂600 MW 机组汽水管道应力分析及支吊架调整

郭永峰， 季 诚， 王英俊

（1.大唐国际运城发电有限责任公司，山西 运城 044602；2.华北电力科学研究院，北京 100045；3.北京华科同和科技有限公司，北京 100045）

1 项目简介

某电厂一期工程为2×600 MW 空冷脱硫燃煤发电机组，2007 年11 月2 号机组投运。该锅炉型号为HG2080/17.5-YM9，是哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进美国ABB-CE 燃烧工程公司技术设计、制造，属亚临界参数控制循环汽包炉，主要设计参数见表1。

2 支吊架调整技术概述

管道支吊架调整技术专门研究和解决承受管道载荷、约束管道冷热态位移、控制管道振动等方面的问题，研究管道支承、悬吊、限位、固定及减震、缓冲以及管道应力水平。管道支吊架对于控制管系的应力水平及其对设备的推力和力矩，保证管道和设备长期安全运行具有重要意义。

表1 锅炉主要设计参数

在役管道支吊架状态异常会对管道安全运行产生不良影响：一是管道受力不均或不能按设计进行膨胀；二是改变管道对设备的推力力矩，危害管道自身及其连接；三是增加管道局部应力，降低管道寿命；四是对管道振动的控制能力减弱，可能导致设备疲劳破坏。

3 支吊架检验调整工作的流程和主要内容

支吊架检验调整应遵循相关的工作流程，主要内容有[1-2]以下几方面。

a） 相关资料收集、审查与分析，图纸、参数的核对及记录。

b） 机组运行时，对支吊架进行热态检验，详细记录运行状态，对重大缺陷拍照。

c） 对于可以确定的损失或失效部件，根据需要提出采购清单。

d） 在机组停运、管道金属温度冷却至接近环境温度后，开始支吊架冷态检查。

e） 根据管道的设计参数，应用专业软件对四大管道的管系应力进行复核与评估，检查是否存在管道设计或支吊架选型错误，如有应纠正。根据管道及支吊架系统的实际状态，计算实际热态运行时的管系应力，找出最大应力和部位，评估管道运行的安全性。如果需要，利用应力分析软件对不合理的设计或损坏的支吊架进行改进。

f） 制定管道支吊架调整方案。

g） 在机组检修期间，组织专业人员完成支吊架更换与维修调整施工。

h） 机组高负荷稳定运行后，开展全面复查。若个别支吊架荷载超过规程允许范围，可视具体情形在热态或冷态下进行微调，直到全部符合要求。

4 支吊架现场检查

以冷再管道为例进行支吊架现场检查，冷再管道的轴测情况如图1 所示。

图1 冷再管道及支吊架轴测图

2 号机组投运以后，四大管道及汽水系统集箱支吊架出现了一系列问题，严重影响机组安全和稳定运行。限于篇幅，本文只列出冷再管道的部分检查结果（见表2）。

表2 冷再管道检查发现的主要缺陷

5 管系应力分析

依据收集到的相关设计、安装资料，采用专用软件对管系应力进行计算。管道在工作状态下承受的应力分为一次应力和二次应力[3]。一次应力是指管道在内压、自重和其他持续外载（包括支吊架反力等） 作用下所产生的应力；二次应力是指管道在热胀、冷缩或其他位移受约束时产生的应力。

5.1 四大管道主要设计参数

原设计各管道用于计算的主要参数见表3。

鉴于检验、分析过程的类似性和数据容量庞大，因篇幅所限，本文以冷再管道为重点，其他不再赘述。

5.2 再热冷段管系设计应力复核

采用专用有限元分析软件进行建模和分析[4]，得到设计状态下再热冷段管道的综合应力。为便于分析，只列出直接相关的计算数据（见表4）。

由计算结果可知，管系的应力状态、管道最大应力与其许用应力的比值，均在合格范围内。结合原有管系的热态位移，可以看出，原设计满足管道的安全运行需要，管系的自补偿能力良好，管线设计合理。如果各管道系统的支吊架状态正常，其各次应力均能满足管道安全运行需要。

表3 四大管道应力计算主要参数

表4 冷再管道设计复核结果

5.3 再热冷段管系实际工作状态应力计算

检查发现，机组实际运行时，存在一系列缺陷。恒力吊架压死（未拔定位销等） 按刚性吊架计算，吊架脱空按无承载计算等，带入管系的实际工作状态进行计算。机组热态运行时，再热冷段管道的关键计算结果（实际综合应力） 如表5 所示。

在实际情形下，由于存在支吊架缺陷，导致管系的最大应力和最大位移、它们的位置和大小，与原先设计相比，都发生了很大变化。机组运行时实际的最大应力发生在冷再与锅炉厂设计分界点，而且远远超出了材料的许用应力。管系计算应力与许用应力的比值达到了2.81，而设计状态下最大只有0.659。一般而言，由于再热联箱和冷再管道的结构不同、强度差异较大，接口处应力超标可能直接导致接口焊缝及焊接影响区首先失效。所以，管系的实际支撑状态给管系安全带来了严重隐患，必须立即按照相关规程进行调整，恢复到安全水平的初始设计[5]。

其他管系的计算和具体调整，与此类似；因篇幅所限，不再赘述。

表5 冷再管道的实际工作应力

6 调整前后的对比

a） 检查结果：主蒸汽管道401 号双弹簧吊架横担偏斜。调整措施：拆除管道保温，调平吊架横担至水平状态并收紧管夹螺栓。

b） 检查结果：主蒸汽管道405 号恒力吊架行程下极限；调整措施：旋转花篮螺母使行程指示90%位置。

c） 检查结果：主给水管道2 号3 双恒力吊架行程上极限；调整结果：已经调整花篮螺母，使恒力吊架行程在10%位置。

d） 检查结果：再热冷段管道48 号双弹簧吊架备帽未锁紧；处理结果：已经锁紧备帽。

e） 检查结果：主给水管道17 号弹簧吊架管夹上螺帽缺失；处理方案：重新安装管夹螺帽，锁紧螺帽。

7 结论

本次四大管道支吊架检验调整，主要解决的问题有恒力吊架行程已达上下极限、行程偏大，双拉杆吊架横担倾斜严重，吊架备帽未锁紧，管夹螺栓松脱，吊杆缺失导致支吊架功能丧失，阻尼器工作范围异常等。基于管系应力计算分析的结果进行相关调整，使得管系应力恢复到安全水平，提高了机组安全性。机组启动运行后热态复查，管系运行良好，支吊架状态正常。

火力发电厂汽水管道在安装和运行中都会出现不同程度的失载、过载甚至失效等缺陷，这些问题如不及时得到解决，将会严重危及发电机组的安全运行[6]。因此，必须加强对汽水系统管道，特别是“四大管道”支吊架的检验和调整，结合机组每次检修进行全面检查。根据机组的实际情况进行管系应力计算和分析，是评估管道安全的重要手段。